問題:是否可能設計出一個具備過壓保護功能的完整RTD模組?

在各種工業情境中,舉凡不正確的操作、不經意的連結以及導線外露等,通常會導致過壓故障,進而損壞電子元件以及造成不良後果。「電阻溫度感測器」(RTD)模組提供了一項關鍵的過壓保護機制。除了暫態的過壓保護外,在實際生產環境中還必須考慮持續保護機制。

本文專注於探討針對具過壓保護功能的多線式RTD模組提供完整解決方案,例如以AD7124為基礎的模組具有過壓保護以及偵測多工器與通道保護器。本文將協助設計者瞭解這種方法,以及如何挑選適合的相關元件。

針對過壓保護功能通常有三種解決方案備選:

  • 在ADC接腳之前配置串聯電阻,即能輕鬆保護ADC。這些接腳包含類比輸入與激勵輸出接腳,而其中配置的多個電阻則會限制恒流輸出電壓(compliance voltage)。
  • 多個分離式元件能保護電流來源。該解決方案能達到更高的過壓保護以及更大的恒流輸出電壓。然而,切換開關與多工器仍然暴露在外部。
  • 結合過壓保護保護與偵測開關、多工器以及通道保護器(如ADG52xxF與ADG54xxF),可用於保護RTD模組以及在不同線路版本RTD感測器之間進行切換。這些元件除了能在供電與未供電模式下提供±55V的故障電壓保護,還能建置偵測機制與具備鎖定(latch-up)的免疫力。其本身採用高密度封裝,佔用的電路板空間比傳統解決方案還要小。

以ADC為基礎的RTD模組

比例量測技術廣泛運用在各種RTD模組,因為該技術能消除激勵電流來源所產生的誤差與漂移。如圖1顯示以AD7124-8為基礎的4線式RTD量測元件線路圖

20190131_ADI_TA71P1 圖1:以AD7124-8為基礎的4線式RTD比例量測元件

AIN0提供激勵電流,而AD7124則整合了參考緩衝區與PGA,另外REFIN 與AIN 都屬於高阻抗的輸入,因此相同的電流會經過RTD感測器以及參考電阻。ADC轉換結果為輸入電壓(VRTD)與參考電壓(VREF)的比值,等於RRTD與RREF的比值。倘若已知RREF這個高精準度穩定參考電阻,就能根據RREF值推算出RRTD以及ADC轉換結果。

運用4線式RTD組態,系統即可達到高準確度與可靠度,而誤差也會因導線電阻而消除。因此,其成本會高於3線或2線式組態。圖2顯示採用AD7124的3線RTD量測系統,在效能與成本取得了折衷。

20190131_ADI_TA71P2 圖2:採用AD7124-8的3線式RTD比例量測系統

兩個整合式準確匹配的電流來源,對於3線式RTD量測很有幫助。其中VREF 與VRTD的公式如下:

20190131_ADI_TA71F1

AD7124有兩個準確匹配的電流來源,意謂IEXC0接近或等於IEXC1,而引線電阻(lead resistor)RL1與RL2兩者相當接近。因此公式整理如下:

20190131_ADI_TA71F2

彙整這兩個公式的轉換碼(conversion code)可歸納為:

20190131_ADI_TA71F3

根據這個公式,RTD電阻值可根據轉換結果以及參考電阻的值推算出來。

2線式RTD方面,無法消除因引線電阻導致的誤差,但這類RTD感測器的成本低於其他種類元件,而AD7124-8則可設定成一個2線式RTD感測器,如圖3所示。

20190131_ADI_TA71P3 圖3:採用AD7124-8的2線式RTD比例量測系統

在實務上,許多工業客戶要求RTD模組的連結埠能連至多種RTD感測器,方便在RTD感測器成本與效能之間取得平衡。圖4顯示RTD模組的通用介面,該介面能支援不同線路版本的RTD感測器。

20190131_ADI_TA71P4 圖4:不同線路版本感測器的RTD介面

因為有這方面的需求,這類RTD模組必須能藉由韌體進行設定以支援不同線路版本的RTD感測器。圖5顯示不同線路版本RTD感測器的模塊圖,它們都採用能支援4通道2線/3線/4線RTD量測的AD7124-8以及切換元件。

20190131_ADI_TA71P5 圖5:採用AD7124-8的不同線路版本RTD感測器量測系統

利用一個控制器即可輕易變更組態以支援不同的感測器,表1顯示不同組態的切換元件以及電流來源狀態

20190131_ADI_TA71T1 表1:不同線路版本RTD感測器的切換元件以及IEXT狀態

藉由計算選擇適合的電阻與電容值,可最佳化雜訊方面的性能。如果除了最佳化雜訊外,實務上還需要過壓保護機制,額外的要求經常造成額外的難題。

首先,AD7124的一些類比針腳會直接暴露在外部環境,根據AD7124在低於攝氏25度的絕對額定規格,類比輸入電壓到AVSS(類比線路公共接地端電壓)應介於−0.3V到AVDD (電路工作電壓)+0.3V之間,意謂模組無法防止出現高幅度的過壓。第二,這些切換元件必須承受高電壓。

加入限流電阻

在ADC的每個針腳上加上限流電阻就能輕易為其提供過壓保護機制

20190131_ADI_TA71P6 圖6:AD7124-8 類比針腳的內部架構

例如,圖6顯示AD7124類比針腳架構。每個類比針腳上都有兩個箝位二極體,我們能利用這些二極體直接建置保護機制,不會產生任何其他漏電流。

圖7顯示這種方法的電路圖——R1至R4分別置於AIN1、AIN2、REF+以及REF前面。這種設定用來消除雜訊。這些電阻同時也用來限制電流,因此在AIN0與AIN3前面加入限流電阻即可保護ADC其餘暴露的類比針腳。

20190131_ADI_TA71P7 圖7:在ADC輸入針腳前面加入限流電阻

這些電阻與內部箝位二極體能防護一定程度的正電與負電過壓。當發生正電或負電過壓故障,電流會循著電阻與內部箝位二極體流至AVDD或AVSS。根據AD7124的絕對規格,電流值必須限制在低於10毫安培以下。若RLimit等於3kΩ,則此模組能防止±30V的持續過壓。

但當此模組在正常模式下工作時,RLIMIT上可能會有電壓降。倘若激勵電流為500毫安培,RLIMIT上的電壓降則為1.5V,感測器的電阻以及RREF會受到限制。提高RLIMIT雖能增加保護,但電阻範圍會變小。根據這種保護方法,恒流輸出電壓會隨著過壓保護需求的提高而下降。若處理好RREF與RReturn的功耗,兩個電阻的故障電壓會直接下降。

除了AD7124-8的類比針腳,切換元件也會暴露在高電壓下,因此我們應選擇能防禦±30V的元件。在過去幾年,photo MOS與繼電器廣泛運用在這些情況,但由於價格昂貴與漏電緣故,使其應用面無法拓展。

運用分離式電晶體保護電流源

使用限流電阻最大的缺點是SOURCE+上的恒流輸出電壓偏低。使用分離式電晶體與二極體除了能建置過壓保護機制,還能提高SOURCE+針腳上最大容許電壓。圖8顯示這種方法的電路圖。

20190131_ADI_TA71P8 圖8:使用分離式電晶體與二極體建立過壓保護機制

這種架構能防止在正常情況下激勵電流傳至RTD感測器,以及防範高過壓產生損壞。其他類比輸入針腳可透過限流電阻加以保護,因為類比輸入針腳沒有恒流輸出電壓的限制。

倘若大正電電壓導入這個RTD感測器,D1能防止來自正電高電壓的電流源。倘若大負電電壓導入這個RTD感測器,Q1集極與基極之間的PN接點就會呈反向偏壓,導致RB1與這個PN接點出現高電壓降,進而防止對AIN0造成損壞。

在正常模式下,D2作為反向偏壓二極體,讓經過此元件的電流保持在極小的水準。Q1射極到基極之間的電流很小,因此RB1的電壓降可以忽略不計。這種方法能讓恒流輸出電壓維持在更高的水準而高於使用限流電阻,另外還能防止更高的故障電壓。

運用類比切換元件與多工器搭配過壓保護功能

使用分離式元件來保護這種高精準RTD模組的缺點相當明顯——不容易挑選適合的元件;這些元件會讓保護電路變得複雜;而且它們會佔用很大的電路板空間。

雖然AD7124類比輸入針腳的漏電流相當小,但當像R1與R2這類大電阻串聯到這些針腳時,就會產生可觀的誤差,另外這些電阻的熱雜訊也會導致解析度下降。在實際設計中,RTD模組會有多個通道,電流源會從某個通道切換至另一個通道,大電阻值會延長類比輸入RC的安定時間,RTD模組必須花更多時間為電容充電,像是C1、C2、以及C3。因此很難在保護功能以及精準度之間取得平衡。另外切換元件仍必須防止高的過壓。

在這個案例中,使用類比切換元件與多工器搭配故障保護機制,能提供切換與過壓保護機制。圖9顯示這個例子。

20190131_ADI_TA71P9 圖9:具故障保護功能的類比切換元件與多工器

在圖9中,AD7124前面有3個使用ADG5243F的SPDT切換元件,在AIN1與AIN2前面則有2個使用ADG5462F的可變電阻。這些元件使用ADG5243F與ADG5462F建置而成,各自擁有使用者定義的故障保護與偵測功能。

若正電與負電電壓套用到RTD介面,汲極針腳的電壓就會箝位在POSFV + VT 或NEGFV – VT。倘若POSFV設定為4.5V,而NEGFV 設定為AGND,當然更容易選擇利用電路上的串聯電阻來保護AD7124。如果過壓發生在未供電狀態,切換元件就會維持在高阻抗狀態,並協助防止對元件造成損壞。

這些元件的偵測功能可用來進行系統診斷。ADG5243F與ADG5462F的輸入源端電壓與持續受到監視。低態動作(active low)的數位輸出針腳FF,可用來指示切換元件的狀態。FF針腳的電壓反映是否有任何輸入源針腳經歷過故障狀態。AD7124提供許多強大的診斷功能以維護系統安全。處理器能結合這些元件的診斷功能,建構出更強固的系統。

總結

在比較RTD模組的三種過壓保護方法後,可以看出使用具備過壓保護功能的類比切換元件與多工器能發揮許多優點:

  • 讓RTD模組承受更高的故障電壓
  • 低漏電流、低雜訊以及縮短安定時間
  • 取代傳統繼電器與photo MOS元件,節省電路板空間與成本
  • 診斷功能可提升系統的強固性
  • 使用簡單